JP2016223873A - 可視化流体の流速計測方法及び流速計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成の光学系を用いて、１μｓ未満の時間間隔で複数のレーザ光を検査域に照射し、超音速流の流速をＰＩＶ計測法により計測する。【解決手段】流速計測装置は、検査域(M)の微小粒子群(P)に照射すべきレーザ光(α)を発光するレーザ光源(3)と、レーザ光を第１レーザ光(β)と第２レーザ光(γ)とに分岐又は分割するレーザ光岐・分割手段(13)と、第１レーザ光を検査域に照射するための第１光路(L2)と、第２レーザ光を検査域に照射するための第２光路(21,22)とを有する。第２光路は、第２レーザ光が出射部に伝送されるのを遅延させる遅延手段を有し、検査域に対する第２レーザ光の出射時期は、第１レーザ光の出射時期よりも遅延する。【選択図】図１

Description

本発明は、可視化流体の流速計測方法及び流速計測装置に関するものであり、より詳細には、微小粒子群により可視化してなる超音速又は極超音速の可視化流体の流動場を撮像装置によって撮影し、可視化流体の流速を計測する流速計測方法及び流速計測装置に関するものである。

流体を可視化するためのトレーサ粒子をマーカとして流体の流れに混入し、流動場の流体速度等を計測する可視化計測技術が知られている。可視化流体計測技術として知られる直接撮影法においては、二重露光撮影又は高速度カメラ撮影や、パルスレーザ及びデジタルＣＣＤカメラを用いたフレームまたぎ撮影等の方法によって、トレーサ粒子を微小時間間隔（例えば、１ms間隔)で連続撮影することにより、粒子の移動距離が測定される。粒子の速度は、移動距離を時間間隔で除すことによって演算される。

可視化流体計測技術の一種として知られたＰＩＶ（Particle Image Velocimetry、粒子像流速計測）は、このような可視化流体の速度分布を調べる直接撮影法として普及した計測技法である。ＰＩＶ計測法は、流体にレーザシート光を照射して、流体に含まれる寸法１０μm程度の微小粒子を微小時間間隔(時刻t及び時刻t＋Δt)の連続撮影により撮像し、粒子又は粒子群の速度を画像解析により求め、これにより、流速分布等を測定する流速計測方法である。このようなＰＩＶ計測法によれば、レーザシート光内における面内２成分の速度成分を計測することができる。

また、レーザシート光（２次元）内の速度３成分を得る計測技法として、ステレオＰＩＶ計測法が知られている。ステレオＰＩＶ計測法は、異なる角度方向から可視化流体を撮影する少なくとも２台のＣＣＤカメラによって流体中の微小粒子を微小時間間隔で連続撮影し、複数のカメラ映像の視差に基づいて、粒子又は粒子群の三次元移動量を画像解析により求め、これにより、可視化流体の速度３成分（ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向）を計測する流速計測方法である。

このようなＰＩＶ計測法又はステレオＰＩＶ計測法は、例えば、特開２０１１−２４７６０１号公報、特開２００７−８５７８４号公報（特許文献１及び２）等に記載されている。また、このようなＰＩＶ計測法において、光源から出射部に至る各機器を光ファイバによって相互接続し、機器間のレーザ光伝送用の光路を光ファイバによって形成することが、例えば、特開２００８−１４８６０号公報（特許文献３）に記載されている。

可視化流体の速度３成分を計測するための他の流速計測方法として、方形断面又は矩形断面を有する所定厚の帯状且つ立体的なレーザ光を可視化流体に照射し、異なる角度方向から可視化流体を撮影する少なくとも３台のＣＣＤカメラによって流体中の微小粒子を撮像し、撮像により取得した粒子像の画像データに基づいて３次元空間内の粒子分布を再構築し、３次元空間における可視化流体の３次元速度ベクトル又は３速度成分を測定するトモグラフィックＰＩＶ計測法が提案されている（特願２０１４−３８１７１号明細書・図面、特開２００５−９１３６４号公報、特開２０１３−２１７９０２号公報（特許文献４〜６）等）。トモグラフィックＰＩＶ計測法は、ＣＴ（Computed・Tomography)技術とＰＩＶ技術との融合により流体の３次元流速分布を効率的且つ高精度に測定することができる計測技法である。典型的には、４台のＣＣＤカメラが撮影に使用され、各カメラは、連続２時刻（ｔ及びｔ+Δｔ）の各々において流体中の微小粒子を同時に撮影する。ステレオＰＩＶ技術が２次元計測技術であるのに対し、トモグラフィックＰＩＶ技術は、３次元計測技術である点で優位性がある。

特開２０１１−２４７６０１号公報 特開２００７−８５７８４号公報 特開２００８−１４８６０号公報 特願２０１４−３８１７１号明細書・図面（未公開） 特開２００５−９１３６４号公報 特開２０１３−２１７９０２号公報

一般に、ＰＩＶ計測法において使用されるレーザシート光は、約1〜２mm程度の厚さ(幅)を有するにすぎず、このため、ＰＩＶ計測法を用いて超音速流又は極超音速流の流速を測定した場合、レーザシート光の照射帯域に進入した微小粒子は、瞬時に帯域を通過し、照射帯域の域外に移動してしまう。このため、超音速流又は極超音速流の流速をＰＩＶ計測法によって計測することは、実務的に極めて困難であると考えられている。この点について、レーザシート光と微小粒子(トレーサ粒子)との位置関係を概念的に示す図４を参照して以下に説明する。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）には、超音速未満の流速を有する流体Ｆａ中に浮遊した微小粒子Ｐと、レーザシート光Ｌｓとの位置関係が示されている。図４(Ｃ)及び図４(Ｄ) には、極超音速の流速を有する流体Ｆｂ中に浮遊した微小粒子Ｐと、レーザシート光Ｌｓとの位置関係が示されている。レーザ装置の光源（図示せず）は、時刻Δtの時間間隔で発光し、従って、レーザシート光Ｌｓは、時刻t及び時刻t＋Δtにおいて流体の検査域（被計測域）に照射される。図４（Ａ）及び図４（Ｃ）は、時刻tにおける位置関係を示しており、図４（Ｂ）及び図４（Ｄ）は、時刻t＋Δtにおける位置関係を示す。一般には、レーザ装置の発光時間間隔は、数十μｓ程度に短縮することができる。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す如く、音速未満の流速の流体Ｆａ（以下、低速流体Ｆａという。）においては、レーザ装置の発光時間を適切に設定することにより、微小粒子Ｐが時間Δtの間に移動する距離Ｓａをレーザシート光Ｌｓの幅Ｂ（一般に１〜２mm程度の寸法）よりも小さい値に設定し得る。従って、ＣＣＤカメラ等の撮像装置Ｃは、時刻t及び時刻t＋Δtの各時刻において微小粒子Ｐの反射光を受光し、各時刻の微小粒子画像を撮像することができる。微小粒子Ｐの速度（従って、流体Ｆａの流速）は、距離Ｓａを時間Δｔで除すことよって求めることができる。

他方、図４(Ｃ)及び図４(Ｄ) に示す如く、極超音速の流速の流体Ｆb（以下、高速流体Ｆｂという。）においては、微小粒子Ｐは、幅Ｂを遥かに超える長い距離Ｓｂだけ時間Δt（即ち、数十μｓ程度の時間）内に移動してしまう。このため、微小粒子Ｐは、時刻t＋Δtにおいて照射されたレーザシート光ＬＳを反射せず、従って、撮像装置Ｃは、時刻t＋Δtにおける微小粒子Ｐの画像を撮像することができない。

これに対し、レーザ装置の発光時間間隔を１００ｎｓ程度に短縮し、或いは、複数のレーザ装置を協調制御して、各レーザ装置の発光タイミングの時間差を１００ｎｓ程度の微小時間間隔に設定することより、時刻t＋Δtにおいて微小粒子Ｐがレーザシート光Ｔの幅Ｂの範囲内に位置するように計測条件を設定することも、理論的には、考察し得るかもしれない。

しかしながら、レーザ装置の励起時間（発振間隔）や、レーザ装置の性能上の個体差、或いは、制御系固有の時間ジッター等を考慮すると、１μｓ未満の微小時間間隔で複数のレーザシート光Ｌｓを発光する装置系を簡易な構成で設計することは、現実には、極めて困難であり、このため、高速流体ＦｂのＰＩＶ計測は、容易に実施し難い事情がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成の光学系を用いて、１μｓ未満の時間間隔で複数のレーザ光を検査域に照射し、超音速流の流速をＰＩＶ計測法により計測することできる流速計測方法及び流速計測装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成すべく、微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像する撮像装置によって、微小時間間隔を隔てた２時刻の粒子像を撮像し、撮像により得られた粒子像の画像データに基づいて前記可視化流体の流速を測定する可視化流体の流速計測方法において、
検査域の微小粒子群に照射すべきレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分岐又は分割し、
第１光路を介して第１レーザ光を前記流体の検査域に照射するとともに、遅延手段を有する第２光路を介して第２レーザ光を前記検査域に照射し、１μｓ以下の時間間隔を隔てた２つのレーザ光を前記検査域に照射することを特徴とする流速計測方法を提供する。

本発明は又、微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像する撮像装置によって、微小時間間隔を隔てた２時刻の粒子像を撮像し、撮像により得られた粒子像の画像データに基づいて前記可視化流体の流速を測定する可視化流体の流速計測装置において、
検査域の微小粒子群に照射すべきレーザ光を発光するレーザ光源と、
該レーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分岐又は分割するレーザ光岐・分割手段と、
第１レーザ光を前記流体の検査域に照射するための第１光路と、
第２レーザ光を前記検査域に照射するための第２光路とを有し、
該第２光路は、第１レーザ光に対して１μｓ以下の時間間隔を隔てて遅延した第２レーザ光を前記検査域に照射するために、前記第２レーザ光が前記検査域に出射する時間を遅延する遅延手段を有することを特徴とする流速計測装置を提供する。

本発明の上記構成によれば、レーザ光源が発光したレーザ光は、第１及び第２レーザ光に分岐又は分割され、２つのレーザ光は、遅延手段によって設定された遅延時間に相応した時間間隔で検査域に照射される。時間間隔を１μｓに設定した場合、音速の高速流中を浮遊した微小粒子が２つのレーザ光の時間間隔において移動する距離は、０．３４mmである。時間間隔を１００ｎｓに設定した場合、音速の５倍の極超音速流中の微小粒子は、２つのレーザ光の時間間隔において０．１７mm移動する。ＰＩＶ計測法において一般に使用されるレーザシート光の幅は、通常は、１〜２mm程度であるので、高速流中の微小粒子は、２つのレーザ光を反射し、従って、撮像装置は、微小時間間隔を隔てた２時刻の粒子像を撮像することができる。

また、本発明によれば、第１及び第２レーザ光は、異なるレーザ光源に由来するレーザ光ではなく、同一のレーザ光源が発光した単一のレーザ光に由来するので、第１及び第２レーザ光のパルス波形は、通常は、一致する。即ち、第１及び第２レーザ光は、共通の時間ジッタを有するので、第１及び第２レーザ光の時間差は、レーザ光源における時間ジッタの影響を受け難く、従って、第１及び第２レーザ光の時間差は、常に安定する。

本発明の好適な実施形態においては、レーザ光の時間間隔が５００ｎｓ以下且つ３０ｎｓ以上の範囲内の所定時間、好ましくは、３００ｎｓ以下且つ５０ｎｓ以上の範囲内の所定時間に設定され、極超音速の可視化流体の流速が測定される。

好ましくは、上記遅延手段は、前記時間間隔に相応する光路長を有する光ファイバからなる。例えば、光ファイバの光路長を３０ｍに設定した場合、第２レーザ光は、30m／光速（300,000km/s）＝100nsだけ第１レーザ光よりも遅延する。

更に好ましくは、レーザ光分岐・分割手段は、レーザ光源が発光したレーザ光の光路を第１及び第２レーザ光の各光路に分岐又は分割する光路分岐・分割手段と、第１及び第２レーザ光の各光路を再合成する光路合成手段とを有する。好適には、光路分岐・分割手段は、ビームスプリッタからなり、光路合成手段は、ビームコンバイナからなる。レーザ光源が発光したシングルパルス形態のレーザ光は、ビームコンバイナによって合成された共通の出力側光路を伝送されるので、検査域に照射されるレーザ光は、実質的にダブルパルス形態のレーザ光を構成する。

本発明の好ましい実施形態においては、上記第２光路の光路長を設定変更することにより、上記時間間隔が可変設定される。例えば、レーザ光分岐・分割手段は、複数の第２光路と、第２レーザ光の伝送経路を各第２光路に選択的にシフトする光路切換手段とを有する。各々の第２光路は、遅延時間が相違する遅延手段を夫々有する。例えば、複数の第２光路は、遅延時間を１００ｎｓに設定した第２光路と、遅延時間を２００ｎｓに設定した第２光路とから構成される。このような遅延時間の遅延手段を光ファイバによって構成する場合、第２光路は、例えば、光ファイバの光路長を３０ｍに設定した第２光路と、光ファイバの光路長を６０ｍに設定した第２光路とから構成される。

本発明の流速計測方法及び流速計測装置によれば、簡易な構成の光学系を用いて、１μｓ未満の時間間隔で複数のレーザ光を検査域に照射し、超音速流の流速をＰＩＶ計測法により計測することできる。

また、本発明によれば、同一のレーザ光源が発光した単一のレーザ光に由来する第１及び第２レーザ光が検査域に照射されるので、第１及び第２レーザ光の時間差は、安定する。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る流速計測システムの構成を概略的に示すシステム構成図である。 図２は、図１に示すビームスプリッタ及びビームコンバイナを第２位置にシフトした状態を示す図１と同様のシステム構成図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、図１及び図２に示す流速計測システムにおける微小粒子とレーザシート光との位置関係を示す概念図であり、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）は、図１及び図２に示す流速計測システムにおけるレーザ光の波形を概念的に示す波形図である。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、超音速未満の流速を有する流体中に浮遊した微小粒子と、レーザシート光との位置関係を示す概念図であり、図４(Ｃ)及び図４(Ｄ)は、極超音速の流速を有する流体中に浮遊した微小粒子と、レーザシート光との位置関係を示す概念図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る流速計測システムの構成を概略的に示すシステム構成図である。

本発明に係る流速計測システムは、極超音速流の流速を計測するための計測装置系であり、微小粒子（トレーサ粒子）Ｐを注入した可視化流体（気体）Ｆの可視化流路１と、撮像装置２を構成するＣＣＤカメラ５、６と、レーザ電源装置７及びレーザヘッド８を含むレーザ光源３と、検査域Ｍに対するレーザ光の出射部９をレーザ光源３に光学的に接続する光学系１０とを有する。流速計測システム１は更に、ＣＣＤカメラ５、６及びレーザ光源３の制御系を構成する記憶装置、演算処理装置、画像表示（ディスプレイ）装置及び各種入・出力装置等を含む画像処理装置（図示せず）を有する。ＣＣＤカメラ５、６及びレーザ光源３は、制御信号線（図示せず）を介して画像処理装置に接続され、画像処理装置の制御下に作動する。なお、極超音速流は、音速の５倍以上の速度を有する流体の流れとして一般に認識されている。所望により、本実施形態の流体計測システムによって超音速流の流速を計測することも可能である。

レーザ電源装置７は、外部電源に接続されるとともに、給電線Ｅ（二点鎖線で示す)を介してレーザヘッド８に電気的に接続される。光学系１０は、照明用光ファイバからなる光路Ｌ１、Ｌ２、L３を有する。レーザヘッド８は、光路Ｌ１の基端部に光学的に接続され、光路Ｌ１の先端部は、ビームスプリッタ１１に光学的に接続される。ビームスプリッタ１１は、光路Ｌ２の基端部に光学的に接続され、光路Ｌ２の先端部は、ビームコンバイナ１２に光学的に接続される。

レーザヘッド７が出射したレーザ光αは、光路Ｌ１を介して光路分岐用のビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１は、入射したレーザ光αの一部を第１及び第２レーザ光β、γに分岐する光路分岐・分割手段を構成する。ビームスプリッタ１１は、レーザ光αの光軸に対して所定の角度をなす方向（本例では、直角方向）に第２レーザ光γを反射する。本例では、ビームスプリッタ１１として、５０／５０ビームスプリッタが用いられる。従って、レーザ光αの直進成分（透過成分）である第１レーザ光βは、レーザ光αの半分（５０％）の光量を有し、レーザ光αの反射成分（非透過成分）である第２レーザ光γも又、レーザ光αの半分（５０％）の光量を有する。

第１レーザ光βは、光路Ｌ２を介して光路再合成用のビームコンバイナ１２に入射する。第２レーザ光γは、所定長の光ファイバからなる第１迂回光路２１に入射し、第１迂回光路２１を介してビームコンバイナ１２に入射する。第１迂回光路２１の反対側には、第１迂回光路２１と異なる光路長を有する第２迂回光路２２が配置される。第１及び第２迂回光路２１、２２は、前述の遅延手段を構成する。

ビームスプリッタ１１及びビームコンバイナ１２は、これらの光学機器を一体的に回転させる回転機構（図示せず）を備えた分岐・再合成ユニット１３（全体を仮想線で概略的に示す）に組み込まれる。なお、図１において、ビームスプリッタ１１及びビームコンバイナ１２は、第１迂回光路２１に光学的に接続した第１位置に位置している。

図２は、分岐・再合成ユニット１３を回転させ、ビームスプリッタ１１及びビームコンバイナ１２を第２位置にシフトした状態を示す図１と同様のシステム構成図である。

分岐・再合成ユニット１３は、図２に示す第２位置において、ビームスプリッタ１１及びビームコンバイナ１２を第２迂回光路２２に光学的に接続する。レーザ光αは、第１迂回光路２１に分岐せず、レーザ光αの半分（５０％）の光量を有する第２レーザ光γは、第２迂回光路２２を介してビームコンバイナ１２に伝送される。

分岐・再合成ユニット１３は、選択的に使用し得る第１及び第２迂回光路２１、２２を備えるが、第１迂回光路２１をビームスプリッタ１１及びビームコンバイナ１２に光学的に接続した状態を示す図１を参照して、本例の流速計測システムの構成を更に説明する。

図１に示す如く、光路Ｌ３の基端部が、ビームコンバイナ１２に光学的に接続される。ビームコンバイナ１２は、第１レーザ光βを直進させて光路Ｌ３に入射せしめるとともに、第２レーザ光γを直角に偏向して光路Ｌ３に入射せしめる。従って、ビームスプリッタ１１において第１迂回光路１１に分岐・分割したレーザ光αの伝送経路は、ビームコンバイナ１３において再合成される。光路Ｌ３の先端部は、レーザシート光Ｌｓを射出する出射部９に光学的に接続される。出射部９は、シリンドリカルレンズ等の光学レンズユニット（図示せず）を内蔵しており、第１及び第２レーザ光β、γを扇状の薄いレーザシート光Ｌｓに拡開して流路１の検査域Ｍに照射する。

流路１は、流路壁Ｗ（一点鎖線で示す）によって画成される。流路壁Ｗは、レーザシート光Ｌｓを透過するとともに、ＣＣＤカメラ５、６の所望の撮像域を確保すべく、少なくとも部分的に透明樹脂又は透明ガラスによって形成される。流路１の上流端は、流体の供給源（図示せず）に接続される。微小粒子Ｐを流体Ｆに注入するトレーサ粒子混入装置（図示せず）が流路１に接続され、微小粒子Ｐを混入して可視化した可視化流体Ｆが流路１の検査域Ｍに供給され、矢印で示す方向に検査域Ｍを流通する。流路１の下流端は、流体Ｆの排出路（図示せず）に接続され、流体Ｆは、排出路を介して系外に排出される。

出射部９の光軸は、流路１の中心軸線Ｘ−Ｘに対して直交する方向に配向されており、中心軸線Ｘ−Ｘは、レーザーシート光Ｌｓが構成する平面又はシート面に直交する。本例において、レーザシート光Ｌｓの幅Ｂは、約１mmに設定される。流路１内を移動する微小粒子Ｐの粒子群は、検査域Ｍにおいてレーザシート光Ｌｓを反射する、ＣＣＤカメラ５、６の光軸は、微小粒子Ｐがレーザシート光Ｌｓを反射する検査域Ｍの撮像対象領域に向けられており、微小粒子Ｐの粒子群は、粒子画像としてＣＣＤカメラ５、６の撮像素子に結像する。画像データは、前述の画像処理装置に入力され、解析される。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照して前述したとおり、画像処理装置が微小粒子Ｐの移動量を検出して微小粒子Ｐの速度を測定するためには、少なくとも、微小時間間隔Δｔを隔てた連続２時刻（時刻ｔ、ｔ＋Δｔ）の微小粒子画像をＣＣＤカメラ５、６によって撮像し、画像処理技術を適用して微小粒子Ｐの移動距離Ｓａを計測する必要がある。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、低速流体Ｆａ中に浮遊した微小粒子Ｐの撮像に関するものであるが、低速流体Ｆａの計測時と同等の時間間隔Δｔを極超音速の流体Ｆにおいて採用した場合、図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）に示す如く、時刻ｔの画像データを取得し得るにすぎない。

しかしながら、本実施形態に係る流速計測システムにおいては、第１レーザ光βが、真っ直ぐな光路Ｌ２を直進して出射部９から出射し、第２レーザ光γが、迂回光路２１、２２を介して出射部９から出射する。光路Ｌ２と、迂回光路２１、２２との光路長の差に相応した極めて微小の時間差Δｔが、第１及び第２レーザ光β、γの間に発生するので、時間差Δｔを隔てた２つのレーザシート光Ｌｓが、検査域Ｍに照射される。従って、ＣＣＤカメラ５、６は、極めて微小な時間間隔Δｔを隔てた２時刻（時刻ｔ、ｔ＋Δｔ）の粒子画像をを撮像することができる。

本例において、時間差Δｔは、第１迂回光路２１を構成する光ファイバの光路長によって決定される。例えば、第１迂回光路２１の光路長を３０ｍに設定した場合、レーザ光γが第１迂回光路２１を通過する時間は、30m／光速（300,000km/s）＝100nsである。

従って、光路長を光伝送時間として規定すると、例えば、第１迂回光路２１を光伝送間σ１の光路長の光路として特定し、第２迂回光路２２を光伝送時間σ２の光路長の光路として特定することができる。光伝送時間σ１、σ２の時間差は、第１レーザ光βと第２レーザ光γの出射時刻の差、即ち、２つのレーザシート光Ｌｓの時間差Δｔと一致する。なお、光ファイバの場合、コア及びクラッドの境界部における光の反射作用を利用して光を伝送するので、実際の光ファイバの全長は、光路長よりも短く、例えば、光路長を３０mに設定した場合、概ね２１ｍ程度(概ね光路長の７0％程度)に設計し得る。

例えば、第１迂回光路２１の光路長を光伝送時間σ１＝100nsに設定し、流体Ｆの流れを流速＝1700m/sの極超音速流に設定した場合、流体Ｆ中の微小粒子Ｐは、時間Δｔの間に０．１７mmの距離を移動するにすぎない。従って、微小粒子Ｐに対して第１及び第２レーザ光β、γのレーザシート光Ｌｓを照射し、微小粒子Ｐの画像をＣＣＤカメラ５、６によって取得することができる。

図３は、本実施形態の流速計測システムにおける微小粒子Ｐとレーザシート光Ｌｓとの位置関係を示す概念図であり、図３（Ａ）には、流体Ｆ中に浮遊した微小粒子Ｐと、第１レーザ光βによって形成されるレーザシート光Ｌｓとの位置関係が示されており、図３（Ｂ）には、流体Ｆ中に浮遊した微小粒子Ｐと、第２レーザ光γによって形成されるレーザシート光Ｌｓとの位置関係が示されている。

図３（Ａ）に示す如く、第１レーザ光βによって形成されるレーザシート光Ｌｓが、時刻ｔにおいて微小粒子Ｐに照射され、微小粒子Ｐの反射光が、撮像装置２の撮像素子に粒子画像として結像する。微小粒子Ｐは、時間Δｔに距離Ｓｃ＝０．１７mmだけ移動する。第２レーザ光γによって形成されるレーザシート光Ｌｓが、時刻ｔ＋Δｔにおいて微小粒子Ｐに照射され、微小粒子Ｐの反射光は、撮像素子２の撮像素子に粒子画像として結像する。撮像素子２の画像データは、画像処理装置に入力され、画像処理装置は、画像データを解析してＳｃ／Δｔを演算し、微小粒子Ｐの速度（従って、流体Ｆの流速）を求める。

図１に示す第１位置の分岐・再合成ユニット１３を矢印（破線）で示す如く回転させ、図２に示す如く、分岐・再合成ユニット１３を第２位置にシフトした状態では、光学系１０を直進して出射部９から出射する第１レーザ光βと、第２迂回光路２２を介して出射部９から出射する第２レーザ光γとが、時間差Δｔを隔てた２つのレーザシート光Ｌｓを検査域Ｍに形成する。第２迂回光路２２の光路長を光伝送時間σ２＝200ns（光路長＝６０ｍ）に設定した場合、流体Ｆの流速＝1700m/sの極超音速流中の微小粒子Ｐは、時間Δｔの間に０．３４mmの距離を移動する。従って、微小粒子Ｐに対して第１及び第２レーザ光β、γのレーザシート光Ｌｓを照射し、連続２時刻（時刻ｔ、ｔ＋Δｔ）における微小粒子Ｐの画像を撮像装置２によって撮像することができる。

以上説明したとおり、流速計測システムは、微小粒子群により可視化された可視化流体Ｆを撮像する撮像装置２によって、微小時間間隔Δｔを隔てた連続２時刻（時刻ｔ、ｔ＋Δｔ）の粒子像を撮像するとともに、撮像により得られた粒子像の画像データを画像処理装置によって解析することにより、流体Ｆの流速を測定するように構成される。流速計測システムは、ビームスプリッタ１１及びビームコンバイナ１２を備える。ビームスプリッタ１１は、レーザ光αを第１及び第２レーザ光β、γに分割するとともに、光路Ｌ１を第１レーザ光βの光路Ｌ２と、第２レーザ光γの光路（迂回光路２１、２２）とに分岐する。ビームコンバイナ１２は、光路Ｌ及び迂回光路２１、２２を単一の出射側光路（光路Ｌ３）に再合成する。第１及び第２レーザ光β、γは、いずれも、レーザシート光Ｌｓとして出射部９から検査域Ｍに照射される。迂回光路２１、２２は、第２レーザ光γの出射時期を遅延させる遅延手段を構成し、第１及び第２レーザ光β、γの照射時期の時間差Δｔを確保する。従って、極めて微小な時間差Δｔを隔てた２つのレーザシート光Ｌｓが検査域Ｍに形成されるので、撮像装置２は、微小時間間隔Δｔを隔てた連続２時刻（時刻ｔ、ｔ＋Δｔ）の微小粒子画像を確実に撮像することができる。

また、ビームスプリッタ１１及びビームコンバイナ１２を備えた分岐・再合成ユニット１３は、ビームスプリッタ１１及びビームコンバイナ１２を第１位置（図１）及び第２位置（図２）に選択的にシフトする光路切換手段を有するので、流速計測システムは、遅延時間（時間差Δｔ）が異なる２つの迂回光路２１、２２を遅延手段として選択的に使用することができる。このような構成によれば、例えば、流体Ｆの流速、レーザシート光Ｌｓの幅Ｂ、撮像装置２の制御等に相応して時間差Δｔを適宜設定変更することが可能となる。

更に、上記構成の光学系１０は、パルス発光レーザ光のパルス発光波形をシングルパルスからダブルパルスに変換する波形変換手段として把握することも可能である。図３（Ｃ）は、光路Ｌ１におけるレーザ光αの波形を概念的に示す波形図であり、図３（Ｄ）は、光路Ｌ３におけるレーザ光β、γの合成波形を概念的に示す波形図である。

レーザ光αは、レーザヘッド８の出力端におけるパルス発光レーザ光であり、レーザ光αの波形は、図３（Ｃ）に示す如く、シングルパルス形態の波形を有する。これに対し、ビームコンバイナ１２の出力端におけるレーザ光の波形は、レーザ光β、γの波形を合成したダブルパルス形態の波形を有する。レーザ光β、γが生成する各波形は、時間Δｔに相当する位相差を有する。

一般に、レーザ光源のパルス発光レーザには、時間ジッタが発生するので、複数のレーサ光源を用いた場合、各レーザ光源の固有の時間ジッタを考慮する必要が生じるが、レーザ光β、γは、同一のレーザ光源３のパルス発光レーザ光に由来するので、共通の時間ジッタを有するにすぎない。従って、レーザ光β、γの時間差Δｔは、レーザ光源３の時間ジッタの影響を実質的に受けない時間である。即ち、本実施形態の流体計測システムによれば、レーザ光源固有の時間ジッタ等の影響を受けない安定した時間差Δｔを実現することができる。従って、上記構成の流体計測システムによれば、必然的に個体差を有する複数のレーザ光源を用いた場合と比べて、高品質のダブルパルス波形をレーザ光β、γによって生成し得るので、実務的に極めて有利である。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。

例えば、上記実施形態は、２つの迂回光路を備えた構成の流速計測システムに関するものであるが、流体計測システムは、単一の迂回光路のみを備えた構成のものに設計しても良く、或いは、３系統以上の迂回光路を設け、各迂回光路に対応した３つ以上の切換位置に分岐・再合成ユニット１３を切換え可能な構成に設計しても良い。

また、上記実施形態では、光ファイバによって迂回光路を形成し、ビームスプリッタ及びビームコンバイナによって光路を分岐し且つ再合成しているが、保護層、シース等を有する汎用の光ケーブル等によって迂回光路を形成し、或いは、他の形式の光路分岐手段又は光路再合成手段によって光路を分岐又は再合成しても良い。

更に、上記実施形態においては、微小粒子撮影のために２台のＣＣＤカメラを使用しているが、単一ＣＣＤカメラを使用し、或いは、３台以上のＣＣＤカメラを使用することも可能である。

また、上記流速計測システムは、ＰＩＶ計測法に従って流速計測を実施する構成のものであるが、トモグラフィックＰＩＶ計測法に従って流速計測を実施する流速計測システムに本発明を適用することも可能である。

本発明は、微小粒子群により可視化してなる超音速又は極超音速の可視化流体の流動場を撮像装置によって撮影し、可視化流体の流速を計測する流速計測方法及び流速計測装置に適用される。殊に、本発明は、１μｓ未満の時間間隔で複数のレーザ光を検査域に照射し、超音速流又は極超音速流の流速をＰＩＶ計測法により計測する流速計測方法及び流速計測装置に好ましく適用し得る。本発明によれば、簡易な構成の光学系を用いて、１μｓ未満の時間間隔で複数のレーザ光を検査域に照射することができ、しかも、第１及び第２レーザ光の時間差を安定させることができるので、本発明の実用的効果は、顕著である。

１ 可視化流路
２ 撮像装置
３ レーザ光源
５、６ ＣＣＤカメラ
７ レーザ電源装置
８ レーザヘッド
９ 出射部
１０ 光学系
１１ ビームスプリッタ
１２ ビームコンバイナ
１３ 分岐・再合成ユニット
２１ 第１迂回光路
２２ 第２迂回光路
α レーザ光
β 第１レーザ光
γ 第２レーザ光
Ｆ 可視化流体
Ｐ 微小粒子
Ｌ１：Ｌ２：Ｌ３ 光路
Ｌｓ レーザシート光
Ｍ 検査域
Ｂ レーザシート光の幅
Ｗ 流路壁

Claims (12)

1. 微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像する撮像装置によって、微小時間間隔を隔てた２時刻の粒子像を撮像し、撮像により得られた粒子像の画像データに基づいて前記可視化流体の流速を測定する可視化流体の流速計測方法において、
   検査域の微小粒子群に照射すべきレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分岐又は分割し、
   第１光路を介して第１レーザ光を前記流体の検査域に照射するとともに、遅延手段を有する第２光路を介して第２レーザ光を前記検査域に照射し、１μｓ以下の時間間隔を隔てた２つのレーザ光を前記検査域に照射することを特徴とする流速計測方法。
2. 光ファイバによって前記遅延手段を形成し、該光ファイバの光路長又は全長を前記時間間隔に相応して設定することを特徴とする請求項１に記載の流速計測方法。
3. 第１及び第２レーザ光の各光路を合成した共通の出射側光路によって第１及び第２レーザ光を前記検査域に出射することを特徴とする請求項１又は２に記載の流速計測方法。
4. レーザ光源が発光したレーザ光をビームスプリッタによって第１レーザ光と第２レーザ光とに分割し、第１及び第２レーザ光をビームコンバイナによって前記出射側光路に伝送することを特徴とする請求項３に記載の流速計測方法。
5. 前記第２光路の光路長を設定変更することにより、前記時間間隔を可変設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流速計測方法。
6. 前記時間間隔を５００ｎｓ以下且つ３０ｎｓ以上に設定し、極超音速の可視化流体の流速を測定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか1項に記載の流速計測方法。
7. 微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像する撮像装置によって、微小時間間隔を隔てた２時刻の粒子像を撮像し、撮像により得られた粒子像の画像データに基づいて前記可視化流体の流速を測定する可視化流体の流速計測装置において、
   検査域の微小粒子群に照射すべきレーザ光を発光するレーザ光源と、
   該レーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光とに分岐又は分割するレーザ光岐・分割手段と、
   第１レーザ光を前記流体の検査域に照射するための第１光路と、
   第２レーザ光を前記検査域に照射するための第２光路とを有し、
   該第２光路は、第１レーザ光に対して１μｓ以下の時間間隔を隔てて遅延した第２レーザ光を前記検査域に照射するために、前記第２レーザ光が前記検査域に出射する時間を遅延する遅延手段を有することを特徴とする流速計測装置。
8. 前記遅延手段は、前記時間間隔に相応する光路長を有する光ファイバによって形成され、該光ファイバの光路は、第２レーザ光が出射部に伝送されるのを遅延させることを特徴とする請求項７に記載の流速計測装置。
9. 前記レーザ光分岐・分割手段は、前記レーザ光源が発光したレーザ光の光路を第１及び第２レーザ光の各光路に分岐又は分割する光路分岐・分割手段と、第１及び第２レーザ光の各光路を再合成する光路合成手段とを有することを特徴とする請求項７又は８に記載の流速計測装置。
10. 前記光路分岐・分割手段は、ビームスプリッタにより形成され、前記光路合成手段は、ビームコンバイナにより形成されることを特徴とする請求項９に記載の流速計測装置。
11. 前記レーザ光分岐・分割手段は、前記遅延手段を夫々有する複数の第２光路と、第２光路のいずれかに第２レーザ光の伝送経路をシフトする光路切換手段とを有することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の流速計測装置。
12. 各第２光路の遅延手段は、異なる遅延時間に設定されることを特徴とする請求項１１に記載の流速計測装置。

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